Modélisation et simulation interactive pour la navigation d'un robot sous-marin de type ROV Observer

par Adel Khadhraoui

Thèse de doctorat en Mathématiques et informatique

Sous la direction de Lotfi Beji, Azgal Abichou et de Samir Otmane.

Soutenue le 19-11-2015

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec École polytechnique de Tunisie (La Marsa) , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....) (établissement de préparation de la thèse) et de Informatique, Biologie Intégrative et Systèmes Complexes (Evry, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Florian de Vuyst.

Les rapporteurs étaient Mohamed Djemai, Mohamed Ali Hammami.

mots clés

• Poursuite de trajectoire
• Robots sous-marins
• Instabilités hydrodynamiques
• Robots -- Systèmes de commande
• Robots -- Cinématique
• Observateurs d'états (mathématiques)

Résumé

Aujourd'hui traverser les océans peut s'effectuer sans difficulté en utilisant toute sorte de véhicule marin. Cependant, il n'en est pas de même pour l'exploration des fonds marins. Face à ce milieu hostile et dangereux, mais potentiellement riche tant sur le plan biologique que sur le plan d'éventuelles ressources exploitables, l'homme a besoin d'assistance dans sa découverte des profondeurs, l'intervention de robots sous-marins est une alternative pour écarter les dangers qui peuvent subir les plongeurs. Dans ce contexte, le présent manuscrit porte sur la modélisation et la commande d'un ROV (Remotely Operated Vehicle) destiné pour l'observation des sites archéologies. Après avoir identifié les différentes variables caractérisantes de la géométrie fixe, nous détaillons, dans un premier temps, la modélisation cinématique et dynamique du véhicule. Il est important de noter qu'un jeux de paramètres d'inertie, masse ajoutée et coefficients de traînées est identifié moyennant les caractéristiques géométriques du robot. Un modèle hydrodynamique non-linéaire et complet du sous-marin a ainsi pu être développé. Pour réussir une opération d'observation, en utilisant les caméras embarquées, la deuxième partie de la thèse traite le problème de stabilisation du modèle du ROV à l'équilibre. Nous proposons une commande instationnaire explicite dépendante à la fois de l'état et du temps, suivie d'une étude de robustesse de la commande par rapport aux perturbations extérieures vérifiant certains degrés d'homogénéité. L'autonomie d'une opération d'observation nécessite aussi de contrôler les déplacements du Rov tout au long d'une trajectoire de référence. Nous avons traité dans la troisième partie de ce manuscrit le problème de stabilité et de stabilisation d'un système d'erreur entre la position réelle du véhicule et la position d'un modèle de référence. Afin d'exploités les résultats théoriques de la thèse, en bénéficiant de l'expertise de l'équipe IRA2 dans le domaine de la Réalité Virtuelle (RV), en dépit des simulations classiques réalisées sous Matlab, nous proposons de construire un environnement sous-marin (ou piscine) qui intègre la CAD du Rov: simulation interactive pour la navigation. Ainsi, on a posé les problématiques liées aux capteurs virtuels et la construction des observateurs, interfaçage des boucles de commande (à travers simulink) et la plateforme virtuelle qui fait appel à Virtools.

Titre traduit

Modeling and interactive simulation for navigation of a remotely operated vehicle ROV

Résumé

Today cross oceans can be done easily. However, it is not the same case for the seabed exploration. As this hostile and dangerous environment can be biologically rich and has exploitable resources, the man needs help in his discovery of the depths. Therefore, the intervention of underwater robots was a solution. In this context, the present manuscript deals with modeling and control of a ROV (Remotely Operated Vehicle). After identifying the different variables characterizing the fixed geometry, we study, at first, kinematics and dynamic modeling of the ROV. It is important to note that sets of inertia parameters of added mass and streaks coefficients is identified by means of the geometrical characteristics of the robot. A full nonlinear dynamic model of the submarine has been established. The second part of the thesis deals with the stabilization problem of the ROV’s model. We offer an explicit unsteady dependent control of both the state and time. A robust study of the control relative to external interference checking certain degree of homogeneity has been established. The autonomy of Rov also requires control movement along a reference path. We treated in the third part the Rov’s stability problem to ensure the tracking of a reference trajectory. These results are operated on a virtual platform, and implemented on the dedicated Virtools software for this application. To lighten the structure in terms of sensors and because of the high prices of various sensors, it is necessary to design a system called auxiliary observer who charge rebuild unmeasurable states using available information. A nonlinear observer has been proposed to the estimation of linear and non-measurable angular velocity, which will be considered as virtual sensors. These sensors will be implemented on the platform that will be used to animate the ROV in its virtual world.